奚學程，陳　昊，陳　默，劉宏達，梁　為，趙萬生

（上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

RTAI實時操作系統(tǒng)在多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)中的應用

奚學程，陳昊，陳默，劉宏達，梁為，趙萬生

（上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺近年來的快速發(fā)展，為多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的提升帶來了新的機遇。針對廣泛采用的上下位機式數(shù)控系統(tǒng)中上下位機間通訊的瓶頸問題，利用實時操作系統(tǒng)與雙端口寄存器在上下位機間通訊與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性和效率的優(yōu)勢，對原有自主開發(fā)的多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進行了改進，增加了實時通訊的功能，充分利用上下位機的雙核優(yōu)勢沖破之間的瓶頸，并結合先進的B樣條曲線插補算法，顯著提高了數(shù)控系統(tǒng)的性能。閉式整體葉盤的加工實驗證明新的數(shù)控系統(tǒng)體系架構能提高復雜零件的加工效率。

多軸聯(lián)動；RTAI；雙端口寄存器；電火花加工；效率提升

在航空航天領域，一些有著復雜自由曲面并采用高硬度、高強度材料的零件（如閉式整體渦輪葉盤）多采用多軸聯(lián)動數(shù)控電火花技術進行加工［1］。由于與國防工業(yè)密切相關，五軸及以上的電火花加工機床一直被發(fā)達國家列為對華實行禁運的高技術產品，所以國內研究機構開始自主研發(fā)多軸聯(lián)動數(shù)控電火花加工機床及其數(shù)控系統(tǒng)。同時受到國家的大力支持，“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備重大專項”作為16個國家科技重大專項之一被列入我國《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）》。

數(shù)控系統(tǒng)作為加工裝備的“大腦”，有著至關重要的作用。國內已開展多軸聯(lián)動電火花加工機床及其數(shù)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)多年。趙萬生等對基于可編程邏輯控制器的六軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進行了研究，并對多軸聯(lián)動電火花加工的軌跡控制進行了深入討論［2-3］。楊大勇等研制了高性能柔性化多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)，采取全軟件化、柔性化、模塊化的研究路線，并給出了五軸聯(lián)動電火花加工實例［4-5］。蘇州電加工機床研究所有限公司近年來通過與上海交通大學等高校合作，承擔了“十一五”國家重大專項課題——固定工作臺式五軸聯(lián)動電火花成形加工機床，共同研發(fā)出了DK7130、DK7140、DK7150等系列化五軸聯(lián)動電火花成形加工機床，并初步實現(xiàn)了產業(yè)化［6-7］。黃海鵬等基于RT-Linux技術，提出了雙核結構概念并開發(fā)了多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)［8］。陳昊等開發(fā)了基于Linux操作系統(tǒng)與PMAC可編程邏輯控制器的上下位機式系統(tǒng)結構的六軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)，并研制了六軸聯(lián)動電火花成形加工樣機［9］。

隨著相關研究的開展與深入，數(shù)控系統(tǒng)的架構逐漸成熟。然而現(xiàn)有技術并不完美，隨著計算機技術與通信技術的快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)所采用的軟硬件平臺相比過去都有了較大的發(fā)展，如何在更先進的軟硬件平臺上完善與增強多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的功能是今后的研究方向。

在采用上下位機式系統(tǒng)結構的數(shù)控系統(tǒng)中，上下位機之間的通訊逐漸成為制約數(shù)控系統(tǒng)性能進一步提升的瓶頸，如何加強上位機與下位機之間的通訊能力成為了問題的關鍵。確保數(shù)控系統(tǒng)的實時性能、提高進程運行時間的確定性，實時操作系統(tǒng)對于數(shù)控技術的應用變得必不可少。由于Linux操作系統(tǒng)具備徹底的開放性，其實時擴展在不斷地完善和發(fā)展，且得到廣泛運用。主流的基于Linux的實時擴展方案包括新墨西哥州立大學FSM實驗室推出的RT-Linux和米蘭理工學院發(fā)起的RTAI等。在確保進程運行的穩(wěn)定性后，通過任務進程對數(shù)據(jù)進行有效的交換成為下一步的研究方向。在本團隊所采用的PMAC可編程邏輯控制器的下位機解決方案中，提供了雙端口寄存器（dual-ported RAM，簡稱DPRAM）功能模塊，它為上位機和PMAC之間提供了可共享的高速內存區(qū)域，利用DPRAM能實現(xiàn)上位機與下位機之間的高速數(shù)據(jù)交換。

本文利用實時操作系統(tǒng)與雙端口寄存器在上下位機間通訊與數(shù)控傳輸?shù)臅r間確定性和效率的優(yōu)勢，對原有自主開發(fā)的多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進行了改進，充分利用上下位機的雙核優(yōu)勢，實現(xiàn)了上下位機的實時通訊，顯著提高了數(shù)控系統(tǒng)的性能。

1　基于RTAI實時操作系統(tǒng)的數(shù)控體系

RTAI是real-time application interface for Linux的縮寫，它對廣泛運用的Linux操作系統(tǒng)添加了嚴格的時間確定性限制，并對x86、x86_64、Power-PC、ARM、m68k等多種硬件平臺廣泛支持。Linux系統(tǒng)本身缺少實時支持，為了獲得較好的時間確定性，內核資源需進行一些修改，比如中斷管理調度策略。RTAI和Linux內核同樣提供了相應的應用服務，并增加了工業(yè)實時操作系統(tǒng)的特征。RTAI最主要起到一個中斷調度員的功能，對外設中斷進行處理并按時序交給Linux內核處理。RTAI并不是針對Linux內核的修改，而是采用硬件抽象層HAL（hardware abstraction layer）的概念，從Linux截取硬件操作并進行重定向，取代原有的Linux對硬件的操作。通過這種方法對Linux內核的修改非常簡單且相對獨立，對于不同版本的Linux適配也變得容易，可把Linux看作一個沒有實時任務發(fā)生時的后臺任務。由于這個優(yōu)點，可避免RT-Linux方案對Linux內核源碼改動過大的問題，所以本文采用基于RTAI的上位機操作系統(tǒng)。

RTAI是完全搶占式內核，將Linux看作它的一個低優(yōu)先級的運行任務。在該結構下，實時任務在RTAI的調度下運行，非實時性需要調用較復雜功能的任務交由Linux調度?；赗TAI實時內核的操作系統(tǒng)硬件調用方式的架構見圖1。

圖1　基于RTAI實時內核系統(tǒng)結構圖

在數(shù)控系統(tǒng)中，插補的控制就是對實時性要求極高的任務之一。陳默等針對復雜型腔零件EDM加工中以參數(shù)曲線形式所描述的運動軌跡，在單位弧長增量法［10］的基礎上，研究了由參數(shù)曲線表達式直接生成各軸進給脈沖的多軸聯(lián)動軌跡精插補方法——廣義單位弧長增量法［11］。該插補算法采用泰勒公式展開的方法，能以較小的存儲空間消耗量達到較高的精度插補。然而對于復雜形狀零件的加工軌跡，當選用B樣條曲線為代表的參數(shù)曲線代替小直線段來描述軌跡時，為了保證插補精度，需將對坐標的遞推改為參數(shù)的遞推后代入?yún)?shù)方程來實現(xiàn)。這就造成在3次B樣條曲線插補時會進行較多的浮點數(shù)運算，PMAC可編程邏輯控制器為代表的下位機運算能力無法保證較短的插補周期內完成所需的運算，所以插補的運算應當由運算能力更為強大的上位機來執(zhí)行。

原有框架的數(shù)控系統(tǒng)為了解決插補好后的數(shù)據(jù)傳輸問題，采用了循環(huán)緩沖區(qū)的方案，即一次下載若干個插補點的數(shù)據(jù)，當下位機中待插補點數(shù)量少于一定數(shù)量時，會請求上位機發(fā)送下一段的插補點數(shù)據(jù)。該方法由于時間的不確定性，不能保證上位機將插補點數(shù)據(jù)及時送到下位機中。而采用RTAI實時操作系統(tǒng)后，插補函數(shù)會周期性地調用DPRAM讀寫函數(shù)的運行，在每個插補周期都可確保將該插補周期各個運動軸所要運動到的坐標發(fā)往DPRAM的相應存儲單元中，同時讀取軸位置及極間電壓等過程參數(shù)。

2　DPRAM在實時插補中的使用與程序設計

PMAC可編程邏輯控制器提供了8000個長度為16 bit的雙端口寄存器DPRAM來和上位機共享一塊快速存儲區(qū)域，提供雙向的高速通訊方法。通過它可實時向PMAC寫入或下載位置、速度等信息，并實時地向上位機報告驅動器狀態(tài)、跟隨誤差等信息。在采用DPRAM前，這些數(shù)據(jù)必須通過PCI總線發(fā)送在線指令的方式傳遞，由于DPRAM省略了從通訊端口發(fā)出消息并等待回應的步驟，所以能獲得更快、更有時效的通訊速度。

Deltau Tau公司沒有為PMAC開發(fā)針對Linux 的DPRAM驅動程序，我們?yōu)榇司帉懥薉PRAM在Linux下的相關驅動程序。DPRAM驅動程序的主要功能是進行PC和PMAC兩種不同計算機架構下的數(shù)據(jù)轉換，調用DPRAM各種功能及相應的讀寫操作。就數(shù)據(jù)轉換來說，PMAC的一個存儲地址上存儲的變量是48位的，每個48位變量包含低24位的Y變量和高24位的X變量。當DPRAM中的X變量或Y變量映射到PC內存時，只有變量的低16位才被映射到PC的內存空間，而高8位并沒有被利用。因此，當PC機上一個32位的數(shù)據(jù)需寫到DPRAM時，就要占用一個48位的PMAC變量；反過來，當DPRAM中的一個48位PMAC變量被讀到PC內存中，有效的只有32位。

有了DPRAM這個新的數(shù)據(jù)通道后，單位弧長增量法插補等計算量較大的任務就能在上位機完成之后，將插補數(shù)據(jù)通過DPRAM實時地傳輸給PMAC，相應的流程見圖2。在對DPRAM寫入數(shù)據(jù)時，除了寫入所需的坐標點位置等信息外，為了確保傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，會附加傳輸用于校驗的標志，PMAC對校驗標志位進行檢查，確保正確后才將運動信息發(fā)送到各運動部件。如果校驗標志位異常，則需等待上位機傳輸新的正確數(shù)據(jù)。

圖2　采用DPRAM插補運算流程圖

3　閉式整體葉盤加工實驗

本文改進的基于RTAI實時操作系統(tǒng)與雙端口寄存器的多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)主要針對復雜形狀零件所設計，而閉式整體葉盤正是該類零件的代表。為了檢驗新系統(tǒng)架構的優(yōu)越性和可靠性，將新數(shù)控系統(tǒng)運用于HE70型六軸聯(lián)動電火花加工機床，并進行閉式整體葉盤樣件的對比加工實驗。所選樣件材料為鈦合金TC4，直徑90 mm，共有23個流道，每個流道的加工均分別從流道的進口和出口2個端面由外向內進行。實驗所采用的加工條件見表1，加工后的樣件局部照片見圖3。

表1　閉式整體葉盤樣件加工條件

圖3　加工后的閉式整體葉盤樣件

未用本文所述方法加工該樣件的實測耗時為3161 min。采用基于RTAI實時操作系統(tǒng)與雙端口寄存器的多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)后，加工該樣件僅耗時2555 min，比改進前減少了19.17%。加工后的樣件也顯示新系統(tǒng)并未對樣件外形輪廓和表面質量產生影響。由此可見，新系統(tǒng)對于提高復雜形狀零件的加工效率有著重要的作用。

4　總結

以閉式整體葉盤類零件為代表的復雜形狀零件的加工對我國航天航空發(fā)動機核心制造能力有著重要的意義。本文利用快速發(fā)展的軟硬件技術，針對困擾加工效率提升的瓶頸問題，利用實時操作系統(tǒng)與雙端口寄存器在上下位機間通訊與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性和效率的優(yōu)勢，對原有的多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進行了改進，實現(xiàn)了上下位機的實時通訊，充分利用上下位機的雙核優(yōu)勢，并結合3次B樣條曲線插補算法對復雜形狀閉式整體葉盤加工進行了升級。通過閉式整體葉盤加工的對比實驗，驗證了新數(shù)控系統(tǒng)對于提高復雜形狀零件的加工效率有著明顯的優(yōu)勢，并在連續(xù)上百小時的加工中驗證了該數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

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The Application of RTAI Real-time Operating System in Multi-axis EDM CNC System

Xi Xuecheng，Chen Hao，Chen Mo，Liu Hongda，Liang Wei，Zhao Wansheng
（State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

With rapid development of both hardware and software platforms in CNC systems in recent years，muti-axis EDM CNC systems have new opportunities for great improvements.In the master-slave CNC system architecture which is widely used，the communication between the master computer and the slave computer is a bottleneck in the whole system.To meet the strict timing constraints in the CNC computer control system，a real-time operating system and dual-ported RAM have been incorporated into the existing CNC system to establish a real-time communication channel between the master and the slave.Combined with the augmented B-spline curve interpolation algorithm，this paper break through the bottleneck and significantly improves the performance of the EDM CNC system.It has been testified through machining experiments of shrouded blisks that the new real-time CNC system architecture can improve the machining efficiency of components and parts with complex structures.

multi-axis；RTAI；dual-ported RAM；EDM；efficiency improvement

TG661

A

1009-279X（2016）04-0064-04

2016-05-23

國家自然科學基金資助項目（51175337，51421092）；國家科技重大專項資助項目（2014ZX04001061）；上海交通大學燃氣輪機研究院科研課題基金資助項目（AF0200088/015）；上海市教育委員會產學研項目（15CXY03）

奚學程，男，1973年生，助理研究員。